Алуминиев оксид
| Алуминиев оксид | |
 | |
| Имена | |
|---|---|
| Други | корунд |
| Структура | |
| Кристална структура | тригонална |
| Пространствена група | hR30 |
| Координационна геометрия | октаедърна |
| Свойства | |
| Формула | Al2O3 |
| Моларна маса | 101,96 g·mol−1 |
| Външен вид | бяло твърдо вещество |
| Плътност | 3,987 g/cm3 |
| Точка на топене | 2072 °C (2345 K) |
| Точка на кипене | 2977 °C (3250 K) |
| Парно налягане | 0 Pa (20 °C) |
| Разтворимост във вода | неразтворимо |
| Разтворимост в диетилов етер | неразтворимо |
| Магнитна възприемчивост | −37.0×10−6 cm3/mol |
| Топлопроводимост | 30 W·m−1·K−1 |
| Показател на пречупване | nω=1,768 – 1,772 nε=1,760 – 1,763 Двойно лъчепречупване: 0,008 |
| Термохимия | |
| Стандартна енталпия на образуване | −1675,7 kJ/mol |
| Опасности | |
| NFPA 704 |  0
1
0
|
| Точка на запалване | незапалим |
| Идентификатори | |
| CAS номер | 1344-28-1 |
| PubChem | 9989226 |
| ChemSpider | 8164808 |
| DrugBank | DB11342 |
| MeSH | D000537 |
| ChEBI | 30187 |
| ChEMBL | CHEMBL3707210 |
| RTECS | BD120000 |
| ATC | D10AX04 |
| SMILES | [Al+3].[Al+3].[O-2].[O-2].[O-2] |
| InChI | 1S/2Al.3O/q2*+3;3*-2 1/2Al.3O/q2*+3;3*-2 |
| InChI ключ | PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYAC |
| UNII | LMI26O6933 |
| Gmelin | 11099 |
| Данните са при стандартно състояние на материалите (25 °C, 100 kPa), освен ако не е указано друго. | |
| Алуминиев оксид в Общомедия | |
Алуминиевият оксид или диалуминиевият триоксид е химично съединение на алуминий и кислород с химична формула Al2O3. Това е най-често срещаният оксид на алуминия и по-конкретно се обозначава като алуминиев(III) оксид. В природата се среща в кристалната си полиморфна фаза α-Al2O3, известна като минерал корунд, чиито разновидности са скъпоценните камъни рубин и сапфир. Алуминиевият оксид се използва за добиване на алуминий, като абразив и като огнеупорен материал поради високата му температура на топене.[1]
Свойства
[редактиране | редактиране на кода]
Al2O3 е електрически изолатор, но има относително висока топлинна проводимост (30 Wm−1K−1)[2] за керамичен материал. Алуминиевият оксид е неразтворим във вода. Под естествената си кристална форма, наречена корунд, неговата твърдост го прави подходящ за употреба като абразив и като компонент в режещите инструменти.[1]
Алуминиевият оксид е отговорен за устойчивостта на металния алуминий към корозия. Металният алуминий реагира с кислорода в атмосферата, при което се образува тънък пасивиращ слой от алуминиев оксид (4 nm дебел).[3] Този слой предпазва метала от по-нататъшно окисление. Дебелината и свойствата на този оксиден слой могат да бъдат подобрени чрез процес, наречен анодиране. Ред сплави, като например алуминиевият бронз, използват това свойство, като включват алуминий в сплавта, за да се подобри устойчивостта към корозия. Алуминиевият оксид, получен чрез анодиране, обикновено е аморфен, докато при използване на окислителни процеси в дъгов разряд материалът съдържа значителни включвания от кристален алуминиев оксид, с което се подобрява твърдостта на покритието.
Алуминиевият оксид е амфотерно вещество, което означава, че реагира както с киселини, така и с основи:
- Al2O3 + 6 HF → 2 AlF3 + 3 H2O
- Al2O3 + 2 NaOH + 3 H2O → 2 NaAl(OH)4 (натриев алуминат)
Структура
[редактиране | редактиране на кода]Най-често срещаната форма на кристален алуминиев оксид е корундът, което е термодинамично стабилната форма.[4] Кислородните йони образуват почти шестоъгълна структура, а алуминиевите йони запълват 2/3 от октаедричните пролуки. Всеки Al3+ център е октаедричен. По отношение на кристалографията, корундът има тригонална кристална решетка с пространствена група R-3c. Елементарната клетка съдържа две формулни единици от алуминиев оксид.
Алуминиевият оксид съществува и в други кристални модификации, включително кубичните γ и η фази, моноклинната θ фаза, шестоъгълната χ фаза, орторомбичната κ фаза и фазата δ, която може да е тетрагонална или орторомбична.[4][5] Всяка има уникална кристална структура и свойства. Кубичният γ-Al2O3 има важни технически приложения.[6]
Разтопеният алуминиев оксид близо до температурата на топене е приблизително на 2/3 тетраедричен и 1/3 - 5-координиран, с много малко включване на (<5%) октаедричен Al-O.[7] Около 80% от кислородните атоми се споделят от три или повече Al-O многостена.[7] Разпадането на октаедрите при топене е придружено от относително голямо увеличение в обема (~20%). Плътността на течността близо до точката на топене е 2,93 g/cm3.[8]
Добиване
[редактиране | редактиране на кода]Алуминиевите хидроксидни минерали са основният компонент на боксита, главната руда за добив на алуминий. Бокситът се среща в латерити и се пречиства чрез процес на Байер:
- Al2O3 + H2O + NaOH → NaAl(OH)4
- Al(OH)3 + NaOH → NaAl(OH)4
Освен SiO2, другите компоненти на боксита не се разтварят в основи. След филтриране на основната смес се премахва Fe2O3. Когато Байеровият разтвор се охлади, Al(OH)3 се охлажда, оставяйки силикатите в разтвора.
- NaAl(OH)4 → NaOH + Al(OH)3
Твърдият Al(OH)3 гибсит след това се калцинира (нагрява се до над 1100 °C), при което се получава алуминиев оксид:[1]
- 2 Al(OH)3 → Al2O3 + 3 H2O
Добитият алуминиев оксид обикновено е мултифазов, т.е. съставен е от няколко фази на алуминиев оксид, отколкото само корунд.[5] Процесът може да бъде оптимизиран така, че да произвежда определен продукт. Видът на налични фази може да повлияе на разтворимостта и структурата на алуминиевия оксид, който от своя страна влияе на цената на производството на алуминий.[5]
За употребата му като диелектрик в интегрални схеми, където отлагане на тънък слой е необходимо условие и предпочитаният начин за нанасянето е атомно-слоева епитаксия, слоеве от Al2O3 могат да се приготвят чрез химичното взаимодействие между триметилалуминий Al(CH3)3 и H2O:[9]
- 2 Al(CH3)3 + 3 H2O → Al2O3 + 6 CH4
H2O в горната реакция може да бъде заменен от озон (O3) като активен окислител, след което настъпва следната реакция:[10][11]
- 2 Al(CH3)3 + O3 → Al2O3 + 3 C2H6
Слоеве от Al2O3, приготвени с O3 показват 10 – 100 пъти по-ниска плътност на утечките на ток в сравнение с тези, приготвени с H2O.
Световният добив на алуминиев оксид към 2015 г. е приблизително 1150 милиона тона, над 90% от които се използват за производството на метала алуминий.[1]
Реакция на взаимодействие на калиев хидроксид и алуминиев оксид.[12]
- 2KOH + Al2O3 → 2KAlO2 + H2O
Приложение
[редактиране | редактиране на кода]Освен за производство на метала алуминий, алуминиевият оксид намира широко приложение там, където е нужна инертност и устойчивост на електричество и топлина.[13]
Филер
[редактиране | редактиране на кода]Бидейки химически инертен и бял, алуминиевият оксид се използва като филер при пластмасите. Често срещана съставка е при слънцезащитните кремове и понякога присъства в козметични продукти като руж, червило и лак за нокти.
Стъкло
[редактиране | редактиране на кода]Много видове стъкло имат алуминиев оксид като съставка.[14]
Катализатор
[редактиране | редактиране на кода]Алуминиевият оксид катализира различни реакции, които имат промишлено значение. Използва се в процеса на Клаус за преобразуване на отпадъчен сероводород в сяра в рафинериите. Полезен е и при дехидратацията на алкохоли до алкени.
Пречиствател
[редактиране | редактиране на кода]Алуминиевият оксид се използва широко за премахване на водата от газови потоци.[15]
Абразив
[редактиране | редактиране на кода]Алуминиевият оксид се използва за твърдостта му и здравината му. Има широко приложение като абразив, включително и като евтин заместител на промишлените диаманти. Много видове шкурки използват кристали от алуминиев оксид. Освен това, устойчивостта му към топлина го прави подходящ за шлайфови операции и за металрежещи инструменти. Заедно със силициевия диоксид той е един от главните компоненти на кредата за билярдните щеки. Използва се и при полирането на CD и DVD дискове, както и в пастите за зъби за същата цел.
Боя
[редактиране | редактиране на кода]Люспи от алуминиев оксид се използват в някои бои за отразителен декоративен ефект, каквито се използват в автомобилната промишленост.
Абразивна защита
[редактиране | редактиране на кода]Алуминиевият оксид може да се прилага като покритие чрез анодиране или микродъгово оксидиране. Както твърдостта му, така и абразивоустойчивите му характеристики се дължат на голямата здравина на съединението. Въпреки това, пористият слой на покритието, направен с конвенционален постоянен ток, не е с особено висока твърдост[16] и е сравним със сплавите на закалената стомана, но е значително по-мек от естествения или изкуствения корунд.
Съединението се използва при производството на тухли, които се поставят в горивни канали и димоотводи на топлоелектрически централи, работещи на въглища, за защита на зоните на износване. Не са подходящи за защита от силни удари, тъй като тези тухли са крехки.
Други
[редактиране | редактиране на кода]В осветлението се използва прозрачен алуминиев оксид в някои натриеви лампи.[17]
В медицината се използва като материал при операциите на тазобедрената става[1] и при противозачатъчните хапчета.[18]
Бидейки диелектрик, алуминиевият оксид се използва като изолираща бариера в кондензаторите.[19]
Използва се и при направата на изолация за запалителни свещи.[20]
Вижте също
[редактиране | редактиране на кода]Източници
[редактиране | редактиране на кода]- ↑ а б в г д Alumina (Aluminium Oxide) – The Different Types of Commercially Available Grades // The A to Z of Materials. Архивиран от оригинала на 2007-10-10. Посетен на 27 октомври 2007.
- ↑ Material Properties Data: Alumina (Aluminum Oxide)
- ↑ Campbell, Timothy и др. Dynamics of Oxidation of Aluminium Nanoclusters using Variable Charge Molecular-Dynamics Simulations on Parallel Computers // Physical Review Letters 82 (24). 1999. DOI:10.1103/PhysRevLett.82.4866. с. 4866. Архивиран от оригинала на 2010-07-01. Посетен на 2018-08-30.
- ↑ а б I. Levin. Metastable Alumina Polymorphs: Crystal Structures and Transition Sequences // Journal of the American Ceramic Society 81 (8). 1998. DOI:10.1111/j.1151-2916.1998.tb02581.x. с. 1995 – 2012.
- ↑ а б в Paglia, G. Determination of the Structure of γ-Alumina using Empirical and First Principles Calculations Combined with Supporting Experiments // Curtin University of Technology, Perth, 2004. Посетен на 5 май 2009.
- ↑ Inorganic Chemistry. Elsevier, 2001. ISBN 0-12-352651-5.
- ↑ а б Skinner, L.B. Joint diffraction and modeling approach to the structure of liquid alumina // Phys. Rev. B 87 (2). 2013. DOI:10.1103/PhysRevB.87.024201. с. 024201. Архивиран от оригинала на 2013-02-24.
- ↑ Paradis, P.-F. Non-Contact Thermophysical Property Measurements of Liquid and Undercooled Alumina // Jap. J. Appl. Phys. 43 (4). 2004. DOI:10.1143/JJAP.43.1496. с. 1496 – 1500.
- ↑ Higashi GS, Fleming. Sequential surface chemical reaction limited growth of high quality Al2O3 dielectrics // Appl. Phys. Lett. 55 (19). 1989. DOI:10.1063/1.102337. с. 1963 – 65.
- ↑ Improvement in Al2O3 dielectric behavior by using ozone as an oxidant for the atomic layer deposition technique // J. Appl. Phys. 92 (11). 2002. DOI:10.1063/1.1515951. с. 6739 – 42.
- ↑ Effects of ozone as an oxygen source on the properties of the Al2O3 thin films prepared by atomic layer deposition // Mater Chem Phys 78 (3). 2003. DOI:10.1016/S0254-0584(02)00375-9. с. 733 – 38.
- ↑ chemicalstudy.ru
- ↑ Evans, K. A. Properties and uses of aluminium oxides and aluminium hydroxides // The Chemistry of Aluminium, Indium and Gallium. Blackie Academic, 1993. ISBN 075140103X.
- ↑ Akers, Michael J. Sterile Drug Products: Formulation, Packaging, Manufacturing and Quality. CRC Press, 19 април 2016. ISBN 9781420020564.
- ↑ Hudson, L. Keith; Misra, Chanakya; Perrotta, Anthony J.; Wefers, Karl and Williams, F. S. (2002) „Aluminum Oxide“ in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Wiley-VCH, Weinheim. DOI:10.1002/14356007.a01_557
- ↑ Osborn, Joseph H. understanding and specifying anodizing: what a manufacturer needs to know // OMW Corporation, 2014. Архивиран от оригинала на 2016-11-20. Посетен на 2018-08-30.
- ↑ GE Innovation Timeline 1957 – 1970 // Посетен на 12 януари 2009.
- ↑ DailyMed – JUNEL FE 1/20- norethindrone acetate and ethinyl estradiol, and ferrous fumarate // dailymed.nlm.nih.gov. Посетен на 13 март 2017.
- ↑ Belkin, A. и др. Recovery of Alumina Nanocapacitors after High Voltage Breakdown // Sci. Rep.. 2017. DOI:10.1038/s41598-017-01007-9.
- ↑ Farndon, John. Aluminum. Marshall Cavendish, 2001. ISBN 9780761409472.